СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2009 года по МПК E21B43/25 E21B43/00 

Изобретение относится к отраслям промышленности, применяющим скважины для добычи углеводородных полезных ископаемых, а именно нефти и природного газа, и может быть использовано для снижения обводненности извлекаемой водо-углеводородной смеси и повышения добычи углеводородных полезных ископаемых.

Известен способ повышения продуктивности нефтегазового пласта, включающий воздействие на пласт разнополярным импульсным током (1).

Недостатком способа является его ограниченная применимость, в основном способ применяется для скважин на начальной стадии разработки месторождений, обводненность продукции которых составляет доли или единицы процентов от извлекаемого объема, задача же снижения обводненности практически не решается.

Известен способ управления проницаемостью продуктивного пласта (2), включающий воздействие на продуктивный пласт импульсным электрическим током.

Недостатками способа является узкий диапазон применимости способа, поскольку, во-первых, из всех возможных параметров воздействия импульсного тока применяется только плотность тока и, как следствие, выделяемая при этом тепловая энергия, во-вторых, статичность параметров импульсного тока в процессе воздействия, либо не позволяет достичь необходимого результата в значительной части порового пространства пласта, либо может приводить к результатам, противоположным ожидаемым для большинства пор и капилляров пласта, и, в-третьих, способ не позволяет учитывать пространственную соизмеримость источника энергии и объекта воздействия (части продуктивного пласта), что также может приводить к нежелательным результатам..

Наиболее близким аналогом изобретения является способ повышения производительности скважины (4), включающий воздействие на прифильтровую зону, по меньшей мере, одной скважины импульсным электрическим током. Недостатком способа является использование только эффекта газовой кольматации для ограничения водопритока, что возможно в основном только в тонких капиллярах, диаметр которых менее 20 мкм, и, следовательно, применимость способа ограничивается.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение добычи углеводородов из скважины путем увеличения вязкости пластовой воды, что приводит к снижению скорости ее фильтрации, то есть снижению доли пластовой воды в добываемом объеме водо-углеводородной смеси, и соответственно увеличению доли в ней углеводородов.

Под пластовой водой в данном случае понимается дисперсия, представляющая собой многокомпонентный электролит, состоящий из воды и растворенных минеральных веществ, а также всевозможных фракций естественного или искусственного происхождения, как переносимых потоком воды, так и находящихся на границе раздела твердая фаза - пластовая вода, но при этом не входящих в состав твердой фазы пласта.

Для достижения указанного технического результата в способе интенсификации добычи углеводородов, включающем воздействие на прифильтровую зону, по меньшей мере, одной скважины импульсным электрическим током, воздействие осуществляют путем пропускания через прифильтровую зону скважины квазипрямоугольных трапецеидальных разнополярных импульсов с паузами между положительными и отрицательными импульсами с увеличением вязкости пластовой воды за счет выделения пузырьков пара и растворенного в пластовой воде газа, а также за счет изменения свойств пластовой воды на границе раздела фаз, связанных с двойным электрическим слоем.

Перед воздействием определяют мощность импульса электрического тока, которая обеспечивает условия для увеличения вязкости пластовой воды из выражения:

где l - радиус контура питания скважины [м];

σ - коэффициент поверхностного натяжения [Дж/м²];

h - длина фильтра скважины [м];

c_m - удельная теплоемкость пластовой воды [Дж/кг·град];

V_s0 и V_f0 - соответственно удельные объемы жидкой и паровой фаз при пластовом давлении в начальных условиях [м³/кг];

T - температура пласта [К];

T_s - температура насыщенного пара при пластовом давлении [К];

k_f - коэффициент фильтрации [моль/м];

v_m - молярный объем пластовой воды [м³/моль];

m - эффективная пористость [доли единицы];

p - плотность воды [т/м³];

t₁ - длительность импульсов тока [сек];

t₀ - длительность паузы между импульсами [сек];

ΔР - перепад давления [Па], который необходимо создать для обеспечения условий паро- и газовыделения и который определяется из выражения:

где r - удельная теплота парообразования [Дж/кг];

Т_по - температура парообразования [К];

ΔР_оп - перепад давления [Па], обеспечивающий переход растворенного газа из жидкого состояние в газообразное, определяемый по графикам изменения константы равновесия и по диаграммам фазовых превращений (6);

t₁ - определяют из выражения

где R_з - сопротивление заземления электрода, [Ом];

ρ - удельное электрическое сопротивление пласта, [Ом·м];

l_э и r_э - соответственно длина и радиус электрода, [м];

L_ab - расстояние между электродами, [м];

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость пласта;

tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь;

c - скорость света в вакууме, [м/с].

Длительность паузы между импульсами t₀ [сек] устанавливают величиной, обеспечивающей положительное значение градиента температуры пластовой жидкости:

где λ_W и λ_R - коэффициенты теплопроводности [Вт/м·град] пластовой воды и минерального скелета пласта соответственно.

Напряжение импульса тока U_p при этом устанавливают величиной, обеспечивающей увеличение электровязкости пластовой воды и определяемой из выражения:

где ε₀ - электрическая постоянная [Ф/м];

ψ - поверхностный потенциал [В];

η_w - вязкость пластовой воды [Па·сек];

U - напряжение [В], при котором начинается процесс раскольматации (4).

Силу импульса тока определяют из выражения:

,

где U_pмин - минимальное значение напряжения импульса тока, которое определяется из выражения:

В течение всего процесса воздействия контролируют значения напряжения и силы импульсного тока, определяют возрастание значений сопротивления R электрическому току и при достижении им максимального постоянного значения R=const и сохранении этой величины в течение не менее чем двух часов воздействие прекращают.

В течение всего процесса воздействия контролируют значения длительности импульса тока по уровню 0,1 - t_0,1 и по уровню 0,7 - t_0,7, определяют изменение величины τ=t_0,7/t_0,1, при возрастании τ длительность импульса увеличивают на величину Δt₁=t₁(1+τ).

Для прохождения импульсов электрического тока через прифильтровую зону в ней размещается металлический электрод, соединенный кабелем с источником импульсного тока, на некотором расстоянии от этого электрода в том же пласте размещается второй металлический электрод, также соединенный с источником импульсного тока.

Продуктивный пласт в прифильтровой зоне скважины представляет собой гетерогенную многокомпонентную многофазную неравновесную термодинамическую систему. Эта система состоит из твердого минерального скелета, внутри которого находится поровое пространство, неоднородное по геометрическому строению проводящих каналов (пор, капилляров, трещин, каверн). Внутренний объем порового пространства заполнен газообразными углеводородами, жидкими углеводородами и пластовой водой. Поскольку углеводородные фазы являются диэлектриками, то все изменения в пласте, приводящие к снижению доли пластовой воды в извлекаемой водо-углеводородной смеси при воздействии импульсным током, происходят в части порового пространства, через которое осуществляется фильтрация пластовой воды, как в чистом виде, так и в смеси с углеводородами. Неоднородности в строении порового пространства образуют участки повышенной концентрации носителей тока, в частности, - это тонкопористые проводящие каналы, адсорбирующие анионы, сужения проводящих капилляров и пор и т.д. Пластовая вода является многокомпонентным раствором электролита, при напорном течении которого потенциал течения вызывает встречный, тормозящий фильтрацию электроосмотический поток. Это явление носит название электровязкости и воспринимается, как повышение вязкости фильтрующейся дисперсии. При пропускании электрического тока происходит избыточное увеличение парциальных плотностей общего растворенного вещества и компонентов, его составляющих (9), что приводит к изменению распределения электрических зарядов по сечению проводящих каналов, к увеличению дебаевского радиуса экранирования, т.е. увеличению электровязкости, что является следствием перестройки структуры двойного электрического слоя в порах, заполненных пластовой водой. Эта перестройка обусловлена производством компонентов масс составляющих пластовой воды, как электролита (9), при пропускании через нее мощных импульсов электрического тока с параметрами, определенными из выражений 1, 3, 4, 5, 6. Изменение фильтрационных свойств продуктивного пласта в прифильтровой зоне скважины по воде, которое выражается как повышение вязкости пластовой воды, происходит не только вследствие изменения электровязкости, но и вследствие паро- и газовыделения. Поскольку размер пузырьков газа и пара меньше размера фильтрационных каналов, то течение следует уравнению Эйнштейна:

где η и η₀ - вязкость пластовой воды после и до воздействия соответственно, а φ - объемная доля пузырьков в дисперсном растворе (пластовой воде). Повышение вязкости (η>η₀) связано с диссипацией энергии вследствие вращения пузырька в потоке, где есть градиент скорости. Вращательный момент создается разностью напряжений сдвига на разных сторонах пузырька.

В тонких и сверхтонких проводящих каналах, а также в местах сужения проводящих каналов может происходить полное их перекрытие пузырьками с прекращением фильтрации пластовой воды. Т.е. возникает эффект бесконечно высокой вязкости фильтрующейся дисперсии.

Увеличение вязкости пластовой воды как дисперсии, за счет увеличения электровязкости и образования в составе дисперсии парогазовых пузырьков, приводит к ухудшению фильтрационных свойств пластовой воды. Это приводит к тому, что поступление воды в прифильтровую зону снижается. А поскольку после воздействия для добычи продукции в пласте создается тот же перепад давления, обеспечивающий движение извлекаемых флюидов в фильтр скважины, что и до воздействия, то происходит перераспределение объемов порового пространства, занимаемых водой и углеводородами в пользу последних. Таким образом водоприток в прифильтровую зону и в фильтр нефтегазовой скважины снижается, уменьшается доля воды в общем объеме извлекаемой продукции, а доля углеводородов соответственно увеличивается, поскольку общий объем извлекаемой продукции остается практически тем же, что и до воздействия.

Пример 1. Способ был применен на нефтяной скважине №100 Березинского месторождения. Параметры скважины до воздействия: дебит - 64 м³/сутки, содержание воды - 71%, добыча нефти - 18,6 т/сутки. Параметры скважины после воздействия: дебит - 60 м³/сутки, содержание воды - 52,3%, добыча нефти - 28,2 т/сутки.

Параметры воздействия: полное время воздействия - 22 час, при U=150 В, I=1300 A, длительность импульсов 100 мс, пауза между импульсами 100 мс, воздействие закончено при I=900 A.

Время 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 R 0,100 0,122 0,124 0,126 0,131 0,136 0,141 0,144 0,148 0,150 0,151 0,151

Пример 2. Способ был применен на газовой скважине №124 Осиповичского ПХГ. Параметры скважины до воздействия: абсолютный свободный дебит газа - 650 тыс.м³/сутки. Параметры скважины после воздействия: дебит - 780 тыс.м³/сутки.

Параметры воздействия: полное время воздействия - 29 час, при U=90 В, I=850 A, длительность импульсов 75 мс, пауза между импульсами 60 мс, воздействие закончено при I=612 A.

Время 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 R 0,107 0,110 0,114 0,118 0,122 0,12 0,124 0,129 0,132 0,135 0,135

Список литературы

1. RU, патент на изобретение №2162512, кл. Е21В 43/00, 43/26.

2. US, заявка PCT WO 00/12865, кл. Е21В 43/24.

3. RU, Евразийский патент на изобретение, кл. Е21В 43/00, 43/28.

4. RU, патент на изобретение №2211919, кл. Е21В 43/25.

5. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах. М.: Химия, 1982.

6. Вяхирев Р.И., Коротаев Ю.П., Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. М.: Недра, 1998.

7. Е.Д.Щукин, Н.В.Перцов и др. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. М.: Изд. МГУ, 1985.

8. Е.Е.Бибик. Реология дисперсных систем. Л.: Изд. ЛГУ, 1981.

9. Герц Г. Электрохимия. Новые воззрения. М.: Мир, 1983.

Изобретение относится к области добычи углеводородных полезных ископаемых, а именно нефти и природного газа. Осуществляют воздействие на прифильтровую зону, по меньшей мере, одной скважины импульсным электрическим током, путем пропускания через прифильтровую зону скважины квазипрямоугольных трапецеидальных разнополярных импульсов с паузами между положительными и отрицательными импульсами. Предварительно определяют мощность, напряжение, силу и длительность импульсов электрического тока, а также паузу между импульсами из математических зависимостей. В процессе воздействия контролируют значения напряжения и силы импульсного тока, определяют возрастание значений сопротивления R электрическому току. Техническим результатом является повышение добычи углеводородных полезных ископаемых, снижение обводненности извлекаемой водо-углеводородной смеси путем увеличения вязкости пластовой воды. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ повышения добычи углеводородных полезных ископаемых, включающий воздействие на прифильтровую зону, по меньшей мере, одной скважины импульсным электрическим током путем пропускания через прифильтровую зону скважины квазипрямоугольных трапецеидальных разнополярных импульсов с паузами между положительными и отрицательными импульсами с увеличением вязкости пластовой воды, отличающийся тем, что мощность импульса электрического тока определяют из выражения

где l - радиус контура питания скважины [м];
σ - коэффициент поверхностного натяжения [Дж/м²];
h - длина фильтра скважины [м];
с_m - удельная теплоемкость пластовой воды [Дж /(кг·град)];
V_s0 и V_f0 - соответственно удельные объемы жидкой и паровой фаз при пластовом давлении в начальных условиях [м³/кг];
Т - температура пласта [К];
T_s - температура насыщенного пара при пластовом давлении [К];
k_f - коэффициент фильтрации [моль/м],
v_m - молярный объем пластовой воды [м³/моль];
m - эффективная пористость [доли единицы];
р - плотность воды [т/м³];
t₁ - длительность импульсов тока [с];
t₀ - длительность паузы между импульсами [с];
ΔР - перепад давления [Па], который необходимо создать для обеспечения условий паро - и газовыделения и который определяется из выражения

где r - удельная теплота парообразования [Дж/кг];
Т_по - температура парообразования [К];
АР_0П - перепад давления [Па], обеспечивающий переход растворенного газа из жидкого состояния в газообразное, определяемый по графикам изменения константы равновесия и по диаграммам фазовых превращений;
t₁ - определяют из выражения

где R₃ - сопротивление заземления электрода [Ом];
ρ - удельное электрическое сопротивление пласта [Ом·м];
l_э и r_э - соответственно длина и радиус электрода [м];
L_ab - расстояние между электродами [м];
ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость пласта;
tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь;
с - скорость света в вакууме [м/с],
длительность паузы между импульсами t₀ [с] устанавливают величиной, обеспечивающей положительное значение градиента температуры пластовой жидкости:

где λ_W и λ_R - коэффициенты теплопроводности [Вт/(м·град)] пластовой воды и минерального скелета пласта соответственно, напряжение импульса тока U_p при этом устанавливают величиной, обеспечивающей увеличение электровязкости пластовой воды и определяемой из выражения

где ε₀ - электрическая постоянная [Ф/м];
ψ - поверхностный потенциал [В];
η_w - вязкость пластовой воды [Па·с];
U - напряжение [В], при котором начинается процесс раскольматации (4), а силу импульса тока определяют из выражения

где U_{р мин} - минимальное значение напряжения импульса тока, которое определяется из выражения

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в течение всего процесса воздействия контролируют изменение значений напряжения и силы импульсного тока, определяют изменение значения сопротивления R электрическому току и при достижении им максимального постоянного значения R=const и сохранении этой величины в течение не менее чем двух часов воздействие прекращают.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в течение всего процесса воздействия контролируют значения длительности импульса тока по уровню 0,1 - t_0,1 и по уровню 0,7 - t_0,7, определяют изменение величины τ=t_0,7/t_0,1, при возрастании τ длительность импульса увеличивают на величину Δt₁=t₁(1+τ).